1、生長素除草劑作用機制的研究現狀和作用方式克勞斯格羅斯曼摘要：人工合成的化合物如植物激素“超級植物生長素”是最成功的除草劑，已在農業中使用超過六十年。這些所謂的植物生長素除草劑在植物學上比天然植物生長素吲哚乙酸（IAA）穩定，并表現出系統機動性和選擇性作用，有傾向性的防治禾谷類作物中的雙子葉雜草。它們屬于不同的化學類別，其中包括：苯氧基羧酸類、苯甲酸類、嘧啶羧酸類、芳香羧甲基衍生物和喹啉羧酸類。最近植物生長素感受器的識別和作用于植物生長素、乙烯和脫落酸生物合成的上流調節信號傳輸的新激素的發現解釋了植物生長素除草劑調節反應的大部分機理，其中植物生長素除草劑調節反應包括敏感性雙子葉植物的生長抑制、衰

2、老和組織腐爛。也能防止雜草的喹啉羧酸類二氯喹啉酸引起了不常見現象。目前，我們從二氯喹啉酸刺激乙烯生物合成中最終推斷出組織氰化物的累積水平，組織氰化物在誘發敏感性雜草的除草劑癥狀起到關鍵作用。關鍵詞：脫落酸；植物生長素除草劑；植物生長素信號傳輸；氰化物；乙烯1 前言在高等植物中，新陳代謝、生長、形態建成以及對生物和非生物因素的反應的協調受稱作植物激素的信號傳輸分子的調節，而植物激素是通過作用于稱作受體的特殊受體蛋白產生影響的。植物生長素是植物激素中一個重要類別，包括高等植物中的最重要天然植物生長素吲哚乙酸（IAA）以及和吲哚乙酸一樣能引起相同反應的內生性分子1-2。由于IAA幾乎影響植物生長發育

3、的各個方面，因此IAA被認為是與其他植物激素相互作用的復雜網絡中的“主激素” 3。植物生長激素一般調節細胞分裂和伸長以及發育過程，包括維管組織和花分生組織分化、葉起始、葉序、衰老、頂端優勢和根形成。植物生長激素也是熱帶反應的基本要素。 早在20世紀40年代，大學和工業的實驗室都能合成一系列IAA的衍生物，包括1-萘醋酸（1-NAA）和苯氧基羧酸類2-甲基-4-氯苯氧乙酸（MCPA）和2，4-二氯苯酚乙酸（2，4-D），這些都是那時從大多數植物生長素活性分子中測定出來的4-7。這些衍生物和IAA一樣能引起相同類型的植物反應，但是有長效性和較高的作用強度，具體地說，這是由于它們在植物中的高穩定性。

4、天然植物激素如IAA在植物中可通過結合和降解多重路徑使其快速失活。當在細胞作用位點有較低濃度時，它們刺激生長發育過程。當濃度提高和植物生長素在組織中活躍，植物生長就會受到干擾以及植物受到致命損傷。因此，植物生長素系統通過這些合成的類似物進行的化學調控對探索植物生長素功能的基礎研究8以及應用方面有相當重要的作用。合成激素不僅作為生長調節劑來提高園藝和農業上的產量以及作為組織培養和植物微細增殖的媒介組分10，也作為除草劑來控制雜草5-7。隨著二戰后世界市場的推廣，這些所謂的生長調節劑或者植物生長素除草劑2，4-D和MCPA開啟了現代農業中雜草控制的新紀元。它們發揮選擇作用，有傾向性的防治禾谷類作物

5、中的雙子葉雜草，而且在植物中能被系統的傳輸。多年以來，不同化學種類的擁有不同雜草防治范圍和選擇性類型的植物生長素除草劑已被合成并進行商業推廣。目前，這些種類包括苯氧基羧酸類、苯甲酸、嘧啶羧酸類、芳香羧甲基衍生物、喹啉羧酸類（圖1）。非植物性毒素分子的新陳代謝和靶標對化合物的敏感性在單子葉植物和雙子葉植物間以及雙子葉中的植物生長素除草劑的選擇性差異中起主要作用4-6。作為植物生長素活動的的一個結構要求，離解分子羧基上的強負電荷，是從有相當距離的平面苯環上弱正電荷分離開的，這看起來是必要的。除了濃度效應，合成的植物生長素的生物活性波譜取決于組織的敏感性，而組織敏感性是由組織類型、生理階段和植物種類

6、決定的，并很有可能受不同信號轉導路徑的調節。當作為除草劑使用時，能模擬組織中IAA濃度較高而產生的植物變形和抑制植物生長的效應4-7，而在轉基因的，IAA生成過多的植物上也能觀察到這種效應12。我們描述這種現象為植物生長素過量或者是內源性生長素濃度過量，這會導致生長素的穩態調控失衡以及在組織中與其他激素交互作用的失調。但是，自從吉爾伯特在194613闡述植物生長素除草劑引起易染病植物的“自生自滅”，這個假說一直到現在也很流行，主要是由于我們觀察到生長畸形的情況以至后來的災難性后果。此時，植物新陳代謝持續的刺激被認為通過改變細胞分裂和擴張引起生長的反常，導致相關植物生長結構的變形14。但是，在植

7、物生長抑制和死亡背后有一個特殊的作用機理和模式，這是由于大多數植物生長素除草劑高水平的物種選擇性引起的，加上它們的快速以及一些情況下立體選擇性反應（例如，除草劑活性分子（+）-D-對映體如滴丙酸）在較低的應用率6。2 生長素過量和生長的反常2.1 代謝和生理過程我們仔細觀察植物生長素在組織中濃度增加以及在植物中的梯度分布的整個事件的時間過程，由植物生長素除草劑或者高濃度的IAA引起的植物生長抑制可分為三個階段4,5,7,14。圖2中，以文獻中報道的數據為背景的雙子葉雜草豬殃殃證明了這些過程。首先是刺激階段，這會在使用后的前幾個小時出現。這一階段包括代謝的活化過程比如通過感應芽中合成的1-氨基環

8、丙烷-1-羧酸（ACC）會刺激乙烯的生物合成（12h），之后是正常（解除控制）生長的現象（34h），包括葉的偏上生長、組織膨脹以及開始莖卷曲。今天我們知道細胞伸長反應包括膜離子通道和質膜氫泵數分鐘內激活的反應。隨后，在58小時后我們會在芽組織中最初檢測到脫落酸（ABA）的積累。第二個階段會在24h內發生，包括抑制根的生長一直延伸到芽，伴隨節間生長的減緩和葉面積的減小，以及增強綠葉色素的沉淀。附隨地，我們觀察到氣孔關閉，緊隨其后是蒸騰作用、碳同化、淀粉形成量下降以及活性氧產量過剩。第三個階段是衰老階段，組織衰老的特點是通過葉綠體損傷和高發萎黃病加速葉的衰老，以及通過破壞膜和維管系統的完整性導致萎

9、焉、壞死最終使植物死亡。因此，刺激和隨后的抑制階段都適用于代謝和生長，最后導致的植物生長素除草劑的植物性毒素效果，是由于植物生長素除草劑在組織中持續高強度的作用引起的。從分子學角度看，生長素受體接收大量感應，這會調整基因表達同時會加快細胞伸長反應中膜離子通道和質膜氫泵的激活，由于超過內源性生長素最適濃度我們認為是除草劑作用的目標進程4,7,15。2.2 生長素感應，信號傳輸和基因表達數十年來，生長素分子生物學研究的目標集中在調節轉錄和生長素生物化學反應的受體的識別上。在20世紀80年代，生物化學路徑顯示生長素結合蛋白1（ABP1）是一個候選受體，這借助于生長素結合蛋白的生長素結合活性1,2,1

10、5。后來，擬擬南芥突變體的遺傳屏障是生長素的抑制作用或者生長素傳輸抑制因子，而生長素抑制因子也使包括生長素信號傳輸和生長素抑制因子反應T1R1的一些遺傳軌跡明確1,2,15。最近識別出T1R1蛋白是生長素感應的受體16-19以及發現生長素、乙烯信號傳輸中新的膜反應和脫落酸生物合成中9-順式-環氧類胡蘿卜素雙氧酶（NCED）的上流調節解釋了大部分的植物生長素除草劑調節反應（圖3）。圖2. 以文獻中報道的數據為背景的雙子葉雜草豬殃殃根吸收生長素和分布于植物后證明了生長素除草劑作用的三個階段的反應。F-box蛋白T1R1是Skp1-cullin-F-box蛋白（SCF）E3泛素連接酶的識別組分，而E

11、3泛素連接酶是蛋白質降解的蛋白酶體途徑的一部分16,18。Aux/IAA轉錄阻遏蛋白T1R1底物，以生長素依賴的方式受用于T1R1。與T1R1捆綁后，阻遏蛋白就會降解16,18,21。這種作用的晶體分析表明IAA連接到相同T1R1結合域的底部，在IAA頂部的Aux/IAA蛋白占據剩余的T1R1結合域19。在這方面，IAA功能是作為“分子膠”提高T1R1-Aux/IAA蛋白的相互影響。為了證明T1R1是感應植物生長素的主要受體，我們也測試了合成的生長素類似物IAA、2,4D和1-NAA。T1R1對這些合成的生長素類似物也有綁定和功能性反應16,18。另外，與生長素類似物IAA、2,4D和1-NA

12、A結合的T1R1的晶體結構表明IAA綁定到T1R1受體底部局部雜亂結合域，該結合域也能容納合成的植物生長素19。有趣的是IAA緊密的綁定到T1R1，其中包括側鏈羧基綁定和環式綁定。T1R1的計算機結構模型表明合成的其他植物生長素種類，包括苯甲酸麥草畏以及喹啉酸二氯喹啉酸和喹草酸，也適合綁定到受體空腔。最后，IAA和合成的生長素綁定到T1R1使Aux/IAA阻遏物和受體間的相互作用穩定并引起SCF T1R1復雜共價鍵綁定到Aux/IAA泛素結合蛋白，我們會通過26S蛋白酶體標記Aux/IAA泛素結合蛋白作為降解底物16,18,19。Aux/IAA阻遏蛋白的損失導致先前綁定到轉錄活體蛋白（生長素反

13、應因子ARFs）的DNA抑制解除。ARFs不斷激活生長素對應基因的轉錄，包括這些乙烯合成中的1-氨基環丙烷-1-羧酸合酶和組織中生長素濃度保持高濃度時反饋抑制的Aux/IAA阻遏因子21,22。擬南芥基因組編碼5個T1R1同系物。其中三個生長素綁定F-box蛋白AFB1、AFB2、AFB3也能調節生長素反應17。因此，擬南芥tir1、afb1、afb2、afb3四倍體幼苗對生長素是不敏感的并呈現出一些發展和形態學的表型。這表明四種同系物共同調節植物對IAA和2,4-D的反應。另外，我們發現突變后的T1R1同系物AFB5有抗性，特別是對2-吡啶甲酸類型的植物生長素除草劑，但對2,4-D或者IAA

14、的交叉抗性最低23。這表明不同種類的植物生長素除草劑的化學特性主要是通過不同的生長素受體蛋白來調節。然而，至于T1R1受體家族能否解釋生長素的全部的不同化學信號和基于組織敏感性、生理階段、植物生物型和種類的生物活性的問題仍然存在。這也包括關于生長素除草劑的選擇性是否以單子葉和雙子葉植物中不同受體為基礎的問題。Aux/IAA阻遏蛋白和ARF轉錄因子的多樣性和組織特異性能解釋過剩的生長素特異反應22,24。另外，多數植物生長素作用是通過轉錄調節的，因此與T1R1受體家族有聯系。但是，由于快速的生長素反應，如細胞擴張是生長素誘導離子流的產生，我們討論有一個額外的信號傳輸途徑，可能是通過膜結合生長素綁

15、定蛋白1（ABP1）相關蛋白2,24。ABP1可能是細胞分裂和擴張的協調者，局部生長素水平會影響ABP1的效果25。圖3.提出的植物生長素除草劑作用機理和方式以及在雙子葉植物種類中植物激素吲哚-3-乙酸（IAA）超過最適內源性濃度。植物生長素除草劑被T1R1/AFB生長素受體感知，而F-box蛋白小家族包括轉運阻遏蛋白1（T1R1）和同系物生長素綁定F-box（AFB）蛋白，其中AFB是Skp1-cullin-F-box protein (SCF)E3泛素連接酶底物的F-box識別組分。生長素通過泛素蛋白酶體途徑綁定靶標Aux/IAA轉錄阻遏蛋白到SCFTIR1/AFBsE3連接酶來降解。Au

16、x/IAA阻遏物的得丟失使轉錄活性蛋白生長素反應因子的抑制解除，而生長素反應因子激活生長素反應蛋白的轉錄。在芽中，特別是乙烯合成中的1-氨基環丙烷-1-羧酸（ACC）基因和脫落酸（ABA）生物合成中9-順式-環氧類胡蘿卜素雙加氧酶（NCED）基因都過量表達。產生的乙烯引起葉和組織向下彎曲，并通過抑制生長素的運輸來調節生長素的量。同時，生長素引起莖的水平彎曲。現在，在細胞膨脹過程中生長素迅速引起離子流的現象被認為是受膜結合生長素綁定蛋白1（ABP1）的調節。乙烯刺激NCED轉錄后活性，導致ABA持續的合成。NCED催化葉黃素裂解，導致黃氧素和ABA產量的升高。ABA分布在植物中并能引起氣孔關閉而

17、限制蒸騰作用和碳同化作用，同時伴隨著活性氧（ROS）生產過剩。另外，ABA直接抑制細胞分裂和膨脹，和乙烯一起促使葉衰老和葉綠體損傷以及膜和維管系統的破壞。生長抑制、組織變干腐爛以及植物死亡是最后的結果。在敏感的稻科植物中，當二氯喹啉酸刺激乙烯生物合成中組織中的氰化物作為副產物而積累。SAM表示S-腺苷甲硫氨酸；-CAS表示-氰丙氨酸合酶2.3 激素間相互作用和生長反應最近發現的與生長素除草劑有關的T1R1/AFB受體或者豐富的轉錄因子和生長素反應基因的過表達引起的高濃度的IAA，相互間會導致隨后的一系列與除草劑作用有關的生理生化反應（圖3）。由此而論，ACC的過量刺激以及在生物合成中通過誘導

18、ACC合成而有乙烯形成使我們早已明晰和普遍存在的反應，當生長素應用于敏感性種類和在轉基因植物中過量生產的時候5,6,26。ACC合酶亞型是由屬于早期生長素反應基因的ACS多基因家族編碼的。他們被有區別的表達或轉錄后加工或者由IAA調節轉錄后加工，生長素除草劑應用的幾分鐘里。植物生長素誘導ACC合成引起ACC濃度的升高，緊接著是提高乙烯的產量。在實驗中使用含有ACC合成反義基因LE-ACS227，基因西紅柿和生長素抑制或者乙烯不敏感型植物（擬南芥、十字花科植物、西紅柿），除草劑誘導的態特征會減弱或者是完全的顛倒。乙烯是一種氣態激素其參與植物的壓力反應并調節植物的衰老和生長28。乙烯通過把微管從橫

19、向調節到縱向來促進側面細胞的擴展，這會導致根和莖的膨脹。另外，受到刺激的乙烯會調節植物生長素的影響如葉的脫落和偏上性生長，通過乙烯抑制生長素運輸來調節生長素水平。因此，生長素誘導乙烯爆發會導致生長的不正常和衰老（圖3）5,6,28。生長受到抑制主要原因和對生長素的植物性毒素的實際情況可能是因為脫落酸的過量生產6,29。生長素誘導ACC合成和乙烯生成后會出現根部ABA的積累而在芽中更多，是可控濃度的70倍30。從不同的化學種類中證明與根和莖生長緊密相關的ABA誘導可作為植物生長素除草劑以及不同雙子葉植物中的IAA，包括茜草科、茄科、傘形科、豆科、玄參科和旋花科31,32。相反，有自然忍受力的作物

20、種類對ACC合成和ABA水平不敏感，這表明大概在受體位點是存在選擇作用的6,31。先以高敏感的雙子葉植物豬殃殃為例，IAA和植物生長素除草劑引發ABA生物合成的開始。在豬殃殃細胞懸浮液中，在處理后3小時就會出現ABA濃度的升高，這表明緊接著信息素信號就會出現反應6。分析路徑中間體表明在芽中通過提高葉黃素分裂可誘導ABA生物合成，這會導致ABA前體黃氧素的產量增加。這條途徑關鍵步驟受NCED基因家族編碼的質體酶NCED催化的。生物合成上使用抑制劑和在感知或者在乙烯、ABA合成中有缺陷的番茄突變體，這些研究表明生長素誘導乙烯生成可能會引發ABA的積累6,32。最近，我們調查了豬殃殃中生長素誘導Ga

21、NCED1基因的表達和乙烯、ABA的生物合成的時間過程20。用包括喹草酸、麥草畏、氨氯吡啶酸（圖1）等不同化學種類的IAA和生長素除草劑處理根部1h，唯獨導致芽中GaNCED1 mRNA含量短暫增加。處理后三小時后，轉錄物含量達到最大值是可控水平的40倍，隨后轉錄物含量會減少。在這期間，在芽中水含量和滲透勢沒有改變，這表明通過生長素調節膨壓變化不會使GaNCED基因表達升高。在ABA升高前會有2h的停滯期，在24h后其濃度會達到可控水平的24倍。有趣的是，GaNCED1轉錄物含量的升高先于ACC合酶，ACC和乙烯的產生。因此，乙烯或者ACC并不是激活NCED基因的主要引發物。與此一致，在乙烯生

22、物合成中使用抑制劑只會對GaNCED1基因有輕微影響。但是，乙烯抑制劑會明顯降低生長素誘導的ABA的積累，這表明生長素誘導乙烯生成要求ABA的積累但NCED基因表達中起到的作用較小20。總之，IAA和生長素除草劑除了會刺激乙烯生物合成中的基因表達，也會直接引發NCED基因的活化，這在ABA生物合成的上流調節中也是必需的（圖3）。但是，至于NCED基因表達中生長素信號傳輸是否也包含SCFTIR1/AFB調節的轉錄抑制因子的退化如Aux/IAA的問題還存在。同樣的，我們還要證明NCED基因表達的誘導會對易感植物中的生長素有普遍的影響。這是最可能的情況因為我們在不同種類的雙子葉植物中觀察到生長素會誘

23、導ABA的積累31,32。然而生長素是NCED基因表達主要引發物，乙烯可提高ABA生物合成可能是通過NCED轉錄后的上流調節（圖3）19。乙烯調節的NCED上流調節活性是以酶蛋白合成，活性或穩定性的提高為基礎的。與此同時，對用2，4-D處理過的擬南芥轉錄體分析展現了NCED1和乙烯信號傳輸基因的表達和生物合成35。最后，ABA在芽中積累并在植物中被系統的轉運。與乙烯一起，ABA的功能是在生長素除草劑的作用方式中作為激素的第二信使。ABA被認為是促進葉衰老以及通過影響氣孔運動和細胞分裂擴張來控制植物生長的重要激素。事實上，植物中ABA升高的過程與氣孔關閉密切相關，因而會引起蒸騰作用、碳同化、植物

24、生長受抑制并促使葉組織損傷36。隨后的影響伴隨著活性氧(ROS)如過氧化氫過量產生，這可能是由于ABA調節氣孔關閉引起光合活性降低而引發的36。另外，ABA誘導原生質膜NADPH氧化酶活化可能參與過氧化氫的產生37。此外，在葉組織中Cu/Zn過氧化物歧化酶含量的增加，會更加促進過氧化氫的積累。ABA的外源性應用與生長素對這些過程的影響相差不多36。這與已識別激素ABA在氣孔關閉、生長抑制和促進葉衰老的作用一致。比較不同化學種類的植物生長素除草劑的影響，我們會發現ABA和ROS（如過氧化物自由基和過氧化氫）生產過剩，以及與之相對的組織損傷，是所有生長素除草劑普遍存在的影響36,37。我們認為過氧

25、化氫的積累會通過膜脂質過氧化反應造成組織氧化損傷，這很可能是衰老的信號38。因此，用過氧化氫處理豬殃殃的芽會引起像生長素除草劑一樣的植物毒性，包括促使葉變色以及隨之而來的萎焉、組織壞死和植物死亡6。總之，生長素刺激乙烯和IAA形成是引起植物生長素除草劑的植物毒性癥狀和IAA超最適濃度的主要致病原因。尤其是，ABA和過氧化氫的生長過剩是長期尋找的生長素作用和誘導生長抑制、衰老和組織腐爛中缺少的一環。因此，使用生長素，我們發現在植物生長調節中生長素與乙烯和ABA生物合成的上流調節間的生長素感知和激素信號傳輸作用的新原理8。此外，相關結果引起我們的推測，那就是激素的相互作用也能在其他生長素相關過程的

26、信號傳輸中作為模塊的功能，如根的向地性和在頂端優勢中抑制側芽的生長39。作為乙烯和ABA的信號轉導鏈好像會出現部分地重疊和妨礙，乙烯和ABA間的相互作用會在與乙烯生物合成的強烈刺激相一致的現象中起重要作用。這些現象包括受壓條件下引起的植物衰老、細胞分裂素引起的生長抑制、根癌土壤桿菌引起的植物腫瘤的生長和果實的催熟3,9。3 在植物生長素除草劑作用中氰化物的作用3.1 二氯喹啉酸在稻科植物中的作用植物生長素除草劑會優先控制雙子葉植物雜草。這種現象中選擇性植物生長素除草劑二氯喹啉酸是個例外，它還能額外控制一些重要雜草，比如水稻中的稗屬、馬唐屬、狗尾草屬和臂形草屬的雜草40。生長抑制以及葉萎黃病加重

27、首先出現在最嫩葉片的生長區域，隨后整個根部會出現萎焉和壞死，這是主要的除草劑特征。對稻科植物中二氯喹啉酸的作用機理研究表明單獨的誘導脫落酸（ABA）和過氧化氫增加不足以引起這些影響6,40。Tittle等報道的調查結果表明在植物性毒素作用模式和生長素除草劑2,4-D選擇性中，氰化物第一次的角色是作為刺激乙烯生物合成中的副產物。因此，經驗定的假說表明二氯喹啉酸在作為植物除草劑功能時能以相似的方式造成稻科植物的損傷。3.2 植物中氫氰酸的發生率在自然界氰化物是普遍存在的，能在廣泛分布的不同前體細胞中形成42-44。超過2500種植物表現出是可以生氰的，即有產生氫氰酸（HCN）的能力。在雙子葉植物種

28、類（例如核果、豆類）和稻科植物包括重要的食物作物如玉米、大米、小麥和大麥中生氰作用相當普遍。在大部分植物中，HCN的產生機理是含氰糖苷的降解。有超過60種不同的含氰糖苷已經了解，我們認為在抵御植食性昆蟲時通過其苦澀氣味和在組織破裂處釋放有毒HCN來起作用，其還可作為糖的儲存化合物并降低氮含量44。另外，據報道在氨基酸氧化酶和過氧化酶存在的情況下組氨酸可形成HCN，硝酸鹽同化的可能媒介物羥胺也可形成HCN，以及光呼吸產物也可形成HCN45。早在20世紀80年代，當發現氰化物可作為植物激素乙烯生物合成的副產物時，就提出關于這種代謝物在植物生理學意義上的問題6,45,47,48。3.3 乙烯生物合成

29、中的副產物：氰化物氰化物產生量在化學計量上與乙烯產生量是相等的47,48。ACC氧化酶催化1-氨基環丙烷-1-羧酸（ACC）的氧化，導致乙烯、CO2和HCN的產生。乙烯合成的普遍存在表明這一途徑是植物內源性自由氰化物的主要來源。當乙烯在調節植物中一系列生長現象起重要作用，比如生長、衰老和成熟28，而氰化物卻作為植物性毒素的代名詞43。它是為人們所熟知的抑制劑，特別是對金屬酶以及其他包含氰化物與夫式堿媒介物或者形成抑制物的底物間的反應的蛋白。這些沒存在于植物的主要代謝過程，比如呼吸作用、碳和硝酸鹽的同化、碳水化合物的代謝以及抵御降毒氧的過程。氰化物也能和抑制光和電子傳遞的質體藍Cu-蛋白作用。大

30、部分氰化物敏感酶包括硝酸鹽還原酶、固氮酶、過氧化氫酶、Cu/Zn超氧化物歧化酶、過氧化物酶、核酮糖二磷酸羧化酶和細胞色素C氧化酶43。引起50%敏感性酶受到抑制要求的內源性氰化物的濃度大部分在510 M之間47。在高等植物中，凈化HCN的關鍵酶是-氰丙氨酸合酶（-CAS），有一種吡哆醛磷酸鹽依賴酶來催化半胱氨酸和氰化物的反應以形成硫化氫和-氰丙氨酸（圖3）。后者隨后在-氰丙氨酸水解酶催化的反應中形成天冬酰胺。高活性的-CAS會在老的植物組織中和分生組織活動的區域發現并且與氰化物產量和乙烯濃度有關47。乙烯和氰化物本身能影響氰化物產量和代謝。乙烯能影響自身的生物合成，并因此也能影響其副產物氰化物

31、的形成，既能提高（自動刺激）也能降低（自動抑制）其生成率26,48。在轉錄和轉錄后加工時26乙烯能調節ACC合酶和ACC氧化酶活性并能誘導-CAS的從頭合成49。我們發現氰化物能增加ACC合酶（ACS6）基因的表達50，能催化激活和鈍化ACC氧化反應51以及提高-CAS的生成52。但是，細胞內ACC氧化酶是唯一的胞質酶，因此它的反應產物乙烯和HCN最初是在細胞質中釋放的53。相比之下，-CAS主要存在于線粒體內54。細胞內不同細胞器氰化物釋放位點和氰化物解毒位點會引起氰化物在細胞內分布不均48。氰化物在線粒體外的細胞間的移動低效的并可能引起細胞器局部氰化物的濃度短暫提高，比如細胞質和葉綠體47

32、。線粒體中對氰化物有效的解毒作用在氰化物敏感性呼吸中特別保護了細胞色素C的氧化并阻斷ROS的形成55。但是，其他高敏感的酶如硝酸還原酶和Cu/Zn超氧化物歧化酶分布在細胞質中，而核酮糖二磷酸羧化酶分布在葉綠體中，過氧化氫酶分布在過氧化物酶體中。這使得他們非常易受氰化物的抑制因為氰化物在細胞中是高速移動的。在25時溶液中氫氰酸的pKa大約為9.2。當細胞內PH大約為中性時，在ACC氧化反應中釋放的大部分氰化物以未離解的形式存在。這種形式大部分是親脂性的而非離子，因此能很容易的跨過膜而進入細胞間47。短暫性提高引起的HCN不均勻分布的結果是細胞中植物性毒素的濃度受多重代謝的影響會在細胞中達到最高點

33、以及氰化物會造成植物死亡47,48。但是，在觀察的基礎上我們發現高活性的-CAS在植物組織中高速率的產生乙烯（例如在成熟水果中1650 nmol g1 h1 ）并發現組織中氰化物濃度低于對大約1 M敏感酶無毒的濃度，Yip和 Yang闡明植物組織有足夠的能力對在乙烯生物合成中產生的HCN解毒。因此，在過去的幾年里我們忽略了代謝和生理學對植物中氰化物的可能作用。在20世紀90年代，有關植物生長素除草劑作用模式的研究重新審視了這些問題并調查了受刺激的乙烯和氰化物在誘導細胞和植物死亡過程中的關系。3.4 氰化物植物性毒素作用和調節作用首先以稗草為例，二氯喹啉酸作用的主要位點在根部，但內源性ACC含量

34、的增加、乙烯的形成和氰化物的積累主要是在植物性毒素癥狀發展的芽中進行40。二氯喹啉酸誘導乙烯合成主要在根部，至少在處理后一個小時才能導致ACC的升高（圖三）。過量的ACC被轉運到芽，在哪里通過ACC氧化酶作用轉換成高濃度的乙烯和氰化物。這個過程好像是被自我放大因為在芽中ACC及其產物氰化物會誘導ACC的合成。用ACC通過維管系統處理稗草各個芽組織會導致ACC合成的提高并能提高相同摩爾量的乙烯和氰化物57,58。與對照相比，用1 mM ACC處理六小時后ACC合成量增加5倍58。在53h潛伏期中組織內氰化物濃度從可控的5 M到18M57。另外，使用氰化物能提高芽中的ACC合成58，可能是通過誘導

35、ACC合成基因轉錄來起作用的50。在其他易受影響的雜草中，包括大馬唐草Digitaria sanguinalis (L.)、闊葉小檗Brachiariaplatyphylla(Griseb.)Nash和狗尾巴草Setaria viridis (L.) Beauv.，芽中的氰化物濃度也有積累。其積累的程度與除草劑濃度和使用時間有關，而與除草劑對生長的抑制、造成的葉綠素損失和碳同化的降低的影響最密切相關40,57。例如在稗草和大唐草的芽中氰化物的濃度會提高3倍和9倍，而在96h后分別會達到最大值30 M和 50 M40,57。其他種類的生長素除草劑包括麥草畏和1-NAA（圖1），則引起較低的ACC

36、和氰化物濃度而且與較低的植物生長素濃度有關59。因此，牧草馬唐的研究證明二氯喹啉酸的植物毒性影響主要是由來源于芽中受刺激的ACC的合成造成的氰化物的積累引起的60。已經使用的KCN重生的二氯喹啉酸的量與內源性氰化物相似。另外，用ACC合酶抑制劑氨基乙氧基乙烯基甘氨酸（AVG）預處理會導致二氯喹啉酸植物毒性和乙烯產量的降低57,60。同時，在易受影響的雜草中-CAS只略微激活。相對而言，具有二氯喹啉酸抗性的雜草和生物型以及耐二氯喹啉酸的水稻，表現出高出平時六倍的活性，但在芽中ACC合酶活性、乙烯和氰化物的產量沒有明顯變化59,60。因此，ACC合酶的選擇性誘導（在稻科植物和轉錄后加工中可能是通過

37、不同的敏感性生長素受體來感知二氯喹啉酸）和通過-CAS使氰化物解毒的能力好像是由稻科植物對二氯喹啉酸的不同敏感性決定的。與敏感的稻科植物相反，在敏感雙子葉植物的芽中氰化物的濃度沒有變化40。正如豬殃殃所顯示的，只有在處理過的植物衰老的一開始，在芽中檢測到釋放的氣態HCN增加了3倍30。總而言之，越來越多的證據表明，在特異環境下特別是受生長素除草劑二氯喹啉酸刺激的通過ACC路徑進行乙烯生物合成過程中，細胞內氰化物會積累并調節植物性毒素影響最終導致細胞和植物死亡（圖3）40,45,48,60。在線粒體中-CAS的分布顯然會阻礙對細胞質中釋放的大量氰化物成功的解毒。目前，我們可能會應用能對線粒體外的

38、對氰化物敏感的酶和蛋白造成抑制的代謝的多重影響。最后，高濃度乙烯和氰化物的聯合作用造成了如臂形草屬、馬唐屬、稗屬和狗尾草屬等敏感性雜草的代謝和生理上的反應。最近提出了在玉米根部一個可能存在的乙烯和能引起細胞死亡的氰化物二氯喹啉酸的獨立作用61。目前，我們發現細胞死亡與ROS的形成和脂質過氧化作用有關。在植物中氰化物的作用好像會受到生長素作用的影響。一般地說，在逆境植物中ACC依賴于HCN的產量表明其具有植物性毒素和調節的雙重功能45,47,48。在病原菌侵染62、干旱52和臭氧引起樹葉55損傷的超敏反應中誘導細胞死亡的過程會牽扯到強烈刺激下的乙烯生物合成和植物性毒素氰化物的濃度。另一方面，氰化

39、物和乙烯的亞致死濃度可能通過特殊基因如ACC合酶基因的表達在植物適應生物和非生物逆境時起到信號傳輸的作用45。將來闡明氰化物如何被感應并轉換到特定下游反應的研究會是一個非常有趣的領域。致謝感謝托馬斯艾哈德、約翰斯皮克曼和弗蘭克達揚對原稿的批判性閱讀和有幫助的討論。參考文獻1 Woodward AWand Bartel B, Auxin: regulation, action, and interaction.Ann Bot 95:707735 (2005).2Vanneste S and Friml J, Auxin: a trigger for change in plant develop

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